Основы строительной физики (физико-технические основы проектирования зданий и сооружений)

Раздел II Функциональные основы проектирования зданий. Физико-технические основы проектирования зданий

Тема 1 Функциональные основы проектирования здания. Основы строительной климатологии. Строительная теплотехника. Строительная акустика. Светотехника.

Функциональные основы проектирования зданий

Какие факторы оказывают влияние на формирование объемно-планировочного решения здания?

Прежде всего, для чего строят здания?

Здания должны, в первую очередь, отвечать своему практическому назначению, т.е. в нем должны быть созданы наиболее благоприятные условия, обеспечивающие проведение того или иного функционального процесса.

Для осуществления функционального процесса необходимо:

1) Пространство определенных размеров для размещения и передвижения людей.

2) Размещение оборудования и мебели.

3) Создание определенных микроклиматических, акустических и других условий.

Здание ограничивают несущими и ограждающими конструкциями (стены, перекрытия, перегородки) и образуют помещение.

Помещение всегда трехмерно, т.е. объемно. Помещения в здании расположены по отношению друг к другу в определенном, закономерном порядке. Такой порядок достигается путем планировки.

Т.О. ПОМЕЩЕНИЕ определяет ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНОЕ РЕШЕНИЕ ЗДАНИЯ и является его структурным элементом.

Состав помещений, их параметры и взаимосвязь предопределяют функциональный процесс, который, следовательно, является решающим фактором, влияющим на формирование объемно-планировочного решения здания.

Приступая к проектированию, необходимо всесторонне и тщательно изучить функциональный процесс, причем не только его современное состояние, но и тенденции развития. Исследование функционального процесса является обязательным и определяет научную основу проектирования.

Функциональный процесс – ведущий фактор формирования объемно-планировочного решения здания, но не единственный:

- градостроительные условия (факторы);

- природно-климатические условия района строительства;

- уровень развития материально-технической базы строительства;

- национально-бытовые традиции народа (особенно жилые, общественные здания);

- временной фактор (развиваются и совершенствуются формы быта и культуры, меняются представления людей об удобствах и красоте зданий);

- уровень профессиональной подготовки и опыт участников-исполнителей.

Для того, чтобы облегчить поиск объемно-планировочного решения целесообразно предварительно построить функциональную схему или схему функциональных связей помещений.

Функциональная схема – графическое изображение элементов функционального процесса.

Схема функциональных связей помещений – это графическое изображение помещений или их групп, предназначенных для осуществления соответствующих элементов функционального процесса.

Помещения изображают в виде геометрических фигур, а взаимосвязь между помещениями или их группами – стрелками.

Помещения объединяют в три группы:

- основные – для осуществления основного функционального процесса;

- вспомогательные – для осуществления вспомогательных функций, в т.ч. коммуникационные;

- подсобные – для подсобных функций.

На рисунке 1 показана функциональная схема кинотеатра.

Рисунок 1 - Функциональная схема кинотеатра

Основная функция – зрелищный процесс.

Основная группа помещений:

- зрительный зал;

- помещения кинопроекционной.

Группа вспомогательных помещений:

- фойе;

- входной вестибюль;

- кассовый вестибюль.

Группа подсобных помещений:

- буфет;

- санитарные узлы;

- курительные комнаты.

После изображения функциональной схемы (основываясь на образе) приступают к поиску объемно-планировочного решения здания.

Поиск начинают с «переработки» схемы функциональных связей помещений в композиционную схему помещений (которая, по существу, является проекцией объемно-пространственных построений, каким всегда являются планы зданий).

Практикой проектирования выработаны общие принципиальные композиционные схемы помещений:

- коридорные;

- секционные;

- анфиладные;

- центрические;

- дифференцированные;

- смешанные композиции.

Коридорная композиция(помещения располагают с одной или двух сторон), приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Коридорная композиция

Секционная композиционная схема(здания состоят из изолированных друг от друга одинаковых планировочных элементов-секций), приведена на рисунке 3.

Примеры: жилые секционные дома, склад, универсальные промышленные здания.

Рисунок 3 - Секционная композиционная схема

Анфиладная композиция (помещения расположены друг за другом, связаны в одно целое проходами или пролетами), приведена на рисунке 4.

Это: музеи, картинные галереи, некоторые типы магазинов, вокзалы, некоторые промышленные здания.

Рисунок 4 - Анфиладная композиция

Центрическая композиция (вокруг большого основного помещения группируют меньшие вспомогательные и подсобные помещения), приведена на рисунке 5.

Это:

- театры, кинотеатры, концертные залы;

- выставочные павильоны, крытые рынки;

Частный случай: зальная композиция.

Рисунок 5 - Центрическая композиция

Дифференцированная композиция(отдельные здания имеют единое функциональное назначение, связаны переходами или расположены на одной единой территории).

Это: дома отдыха, лечебные учреждения, санаторные здания, промышленные здания.

Смешанная композиция (различные сочетания приемов в одном здании)

Это: клубы, дворцы культуры, в которых зрелищная часть – решается по центрической композиции; а клубная – с использованием коридорного приема.

Таким образом, на этапе поиска объемно-планировочного решения, исходя из:

- - функционального назначения здания,

- - функций его отдельных помещений,

- - объемно-пространственной взаимосвязи,

строят планировочную схему здания, используя один или несколько принципиальных приемов построения композиционных схем помещений и предварительно вычерченные габаритные схемы помещений.

Полученная первая планировочная схема, как правило, получается с «изрезанной» формой, с разными размерами по наружным стенам, неудачными пропорциями помещений.

 Затем:

- следует выбрать планировочную сетку (величину шага и пролета);

- уточнить конструктивную схему (место расположения вертикальных несущих конструкций);

После чего:

- проводят уточнение расположения помещений с целью повышения удобства размещения и их взаимосвязи между собой;

- «выравнивание» размеров по наружным сторонам и между предполагаемыми вертикальными несущими конструкциями;

- улучшение форм и пропорций помещений, уточнение загрузки и расположения коммуникационных помещений.

Причем необходимо одновременно прорабатывать разрезы и фасады, постоянно их взаимоувязывать.

В результате этой работы будет получен эскиз планировки этажа, а также соответствующие ему эскизы разреза и фасада или эскизный проект здания.

Чтобы получить оптимальное решение, необходимо разработать несколько вариантов.

Основы строительной физики (физико-технические основы проектирования зданий и сооружений)

Для защиты помещений от внешних воздействий (метеопараметры воздушной среды, звук и шумы, распределение естественного освещения и др.) служат ограждающие конструкции зданий. Влияние указанных воздействий на ограждения и человека, находящегося в помещении, является предметом изучения строительной физики.

- строительной теплотехники;

- строительной акустики;

- светотехники.

Строительная теплотехника

Этот раздел рассматривает теплозащитные и санитарно-гигиенические качества ограждающих конструкций здания.

Вопросы строительной теплотехники всегда рассматриваются в сочетании с данными строительной климатологии (наука, изучающая условия климатического режима для различных географических районов).

Проектирование ограждающих конструкций зданий должно производиться с учетом:

- достаточных теплозащитных свойств для защиты помещений от охлаждения зимой и от перегрева летом;

- ограниченной воздухонепроницаемости для защиты помещений от излишнего воздухообмена;

- влагозащитных свойств конструкций;

- достаточно высокой температуры внутренней поверхности для предупреждения появления на ней конденсатной влаги;

- сохранения нормального влажностного режима конструкции и предотвращения ее увлажнения, которое может снизить как теплозащитные свойства, так и долговечность этой конструкции;

Теплопередача через ограждения, т.е. перенос теплоты от одной более нагретой газообразной среды к другой через разделяющую их твердую преграду, определяют по формуле:

                                                        (1)

где Q – количество тепла, проходящего через ограждения;

α – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²*⁰C);

τ_в, τ_н – температура соотношения внутренней и наружной стороны ограждения, ⁰C;

A – площадь ограждения, м²;

t – время, с;

α – коэффициент теплопередачи характеризирует количество теплоты (Дж), которое проходит в течение 1с через 1 м² ограждения при разности температур внутреннего и наружного воздуха в 1⁰C.

При расчете теплозащитных свойств ограждающих конструкций обычно рассматривают не саму теплопередачу, а сопротивление теплопередаче и пользуются обратной величиной – сопротивлением теплопередаче:

                          (2)

Сопротивление теплопередаче может быть интерпретировано как:

разница температур внутреннего и наружного воздуха, требуемая для передачи через 1 м² ограждения теплового потока в 1Вт.

Какова структура сопротивления теплопередаче R_0.

Процесс перехода теплоты через ограждающую конструкцию состоит из трех этапов:

1 Тепловосприятие с внутренней стороны (со стороны более нагретого воздуха).

2 Теплопроницание через ограждения.

3 Теплоотдача с наружной стороны (со стороны более холодного воздуха).

На каждом этапе тепловому потоку приходится преодолевать соответствующие термические сопротивления из которых складывается величина R_0:

                      (3)

(для однородного или однослойного ограждения)

                  (4)

– термическое сопротивление i-го слоя; (5)

где δ_i - толщина i-го слоя материала и n-слойного ограждения; нумерация слоев от внутренней поверхности);

λ_i – расчетный коэффициент теплопроводности, Вт/м*⁰C;

α_н – коэффициент конвективной теплоотдачи наружной поверхности ограждающей конструкции, Вт/м²*⁰C;

α_в – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения, Вт/м²*⁰C.

При наличии внутри многослойного ограждения замкнутых воздушных прослоек вводят дополнительно термические сопротивления отдельных воздушных прослоек R_в.н..

Основные принципы конструирования ограждающих конструкций, вытекающие из технологических требований, заключаются в следующем:

- при проверке сопротивления теплопередаче уже существующей конструкции определяют R₀ по вышеприведенным формулам. R₀ должна быть не меньше требуемого по санитарно-гигиеническим условиям значения R₀^тр, зависящего от назначения помещения, его температурно-влажностного режима, вида ограждения, а также местных климатических условий:

      (6)

где n – коэффициент, зависящий от положения наружной поверхности ограждения по отношению к наружному воздуху (n=1 для наружных стен);

t_в – расчетная температура внутреннего воздуха, ⁰C;

t_н – расчетная температура наружного воздуха, ⁰C;

α_в – коэффициент теплопередачи внутренней поверхности ограждения, Вт/м²*⁰C.

При проектировании новых конструкций, задаются сопротивлениям теплопередаче, равным R₀^эк – экономически целесообразному сопротивлению теплопередаче (по минимуму приведенных затрат), но не менее требуемого сопротивления теплопередаче R₀^тр по санитарно-гигиеническим условиям.

Выше всюду предполагалось, что тепловой поток является стационарным – неизменным во времени.

В действительности: вследствие колебаний температур внутреннего и наружного воздуха тепловой поток будет переменным во времени. Поэтому к ограждающим конструкциям предъявляются некоторые дополнительные теплотехнические требования, состоящие в необходимости обеспечить минимум колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения. Это важно как для поддержания комфортных условий в помещении, так и для предотвращения выделения конденсационной влаги на внутренней поверхности ограждающей конструкции.

Свойство ограждения обеспечивать относительное постоянство температуры на внутренней поверхности при изменениях величины теплового потока через ограждения называют теплоустойчивостью.

Важной величиной, во многом определяющей теплоустойчивость ограждения, является его тепловая инерция D, характеризующая свойство конструкции сохранять или медленно изменять распределение температур внутри конструкции.

Тепловая инерция – величина безразмерная.

Для однородного (однослойного) ограждения (принимая i=1):

                     (7)

Для многослойного ограждения:

                     (8)

R_i – термическое сопротивление i-го слоя материала n – слойного ограждения, м²*⁰C/Вт;

S_i – коэффициент теплоусвоения материала i – го слоя, Вт/(м²*⁰C); (характеризует свойство поверхности материала воспринимать теплоту при колебаниях теплового потока; зависит от удельной теплоемкости материала, его плотности и весовой влажности).

Для конструкций:

- малой инерционности D>1,5 (до 4);

- средней инерционности D>4 (до 7);

- безынерционных D<1,5;

- большой инерционности D>7,0.